Windradrotor aus Schaum

Windrad mit Rotorblätter aus thermoplastischen Sandwichmaterialien.(Bild: Fh.-ICT)

Windrad mit Rotorblätter aus thermoplastischen Sandwichmaterialien.(Bild: Fh.-ICT)

Die Tendenz zu immer größeren Offshore-Wind­­energie­­anlagen ist ungebrochen. Windräder mit bis zu 80 Meter langen Rotor­­blättern und einem Rotor­­durchmesser von über 160 Metern sollen für maximale Energie­­ausbeute sorgen. Da die Länge der Blätter durch ihr Gewicht begrenzt wird, müssen leichte Systeme mit großer Material­­festigkeit entwickelt werden. Die Reduktion von Gewicht erleichtert die Montage, den Abbau sowie die Stabi­lität der Anlagen auf See. Im EU-Projekt WALiD (Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Lightweight Design) widmen sich Wissen­schaftler des Fraun­hofer-Instituts für Chemische Techno­­logie ICT in Pfinztal in enger Zusammen­­arbeit mit zehn Partnern aus Industrie und Forschung dem Leicht­­baudesign von Rotor­­blättern. Durch eine Verbesserung von Design und Material soll das Gewicht reduziert und damit die Lebens­­dauer verlängert werden.

Heutzutage werden Rotor­­blätter für Windkraft­­anlagen größten­teils in Handarbeit aus duromeren, aus­härtenden Harz­­systemen hergestellt. Diese lassen sich nicht aufschmelzen und sind für werkstoff­­liches Recycling ungeeignet. Allenfalls werden Granulate aus duromeren Altkunst­stoffen als Füll­stoffe in einfachen Anwendungen wieder­­verwertet. „Im WALiD-Projekt verfolgen wir ein völlig neues Blatt­­konzept. Wir wechseln die Material­­klasse und verwenden für Rotor­blätter erstmals thermo­­plastische, schmelzbare Kunst­­stoffe, die wir mit Hilfe von auto­ma­tisierten Fertigungs­­anlagen effizient verarbeiten können“, sagt Florian Rapp, Wissen­­schaftler am ICT. Ziel ist es, die enthaltenen Glas- und Kohlen­stoff­fasern zu separieren und das thermo­­plastische Matrix­­material wieder­­zuverwerten.

Für die Außen­­hülle des Rotor­­blatts sowie für Segmente der inneren Trag­­struktur verwenden die Projekt­partner Sandwich­­materialien aus thermo­­plastischen Schäumen und faser­­verstärkten Kunst­stoffen. Generell werden für die höchst­­belasteten Bereiche des Rotor­­blatts kohlen­stoff­faser­verstärkte Thermo­­plaste eingesetzt, wohingegen Glasfasern die weniger belas­teten Bereiche verstärken. Für den Sandwich­­kern entwickeln Rapp und sein Team thermo­­plastische Schäume. Diese werden in Sandwich­­bauweise mit Deck­lagen aus faser­­verstärkten Thermo­­plasten miteinander verbunden – eine Kombi­nation, die die mecha­­nische Festig­keit, die Leistungs- und Widerstands­­fähigkeit sowie die Lang­lebigkeit des Rotor­blatts verbessert. „Mit unseren thermo­­plastischen Schäumen beschreiten wir neue Wege“, so der Forscher.

Die Schäume des ICT bieten bessere Eigen­­schaften als bisherige Material­­systeme und ermöglichen so völlig neue Anwendungen – etwa im Automobil­­bereich sowie in der Luft- und Schiff­­fahrt. Im Fahrzeug nutzen Her­steller geschäumte Stoffe bislang beispiels­weise in der Sonnen­­blende oder im Sitz­bereich, aber nicht für last­­tragende Strukturen. Die aktuellen Schäume haben Limi­tationen, etwa was die Temperatur­­beständig­keit anbelangt. Daher lassen sie sich beispiels­­weise nicht als Isolation näher an den Motor verbauen. „Unsere auf­schmelz­baren Kunststoff­­schäume hingegen sind temperatur­­stabil und eignen sich etwa als Dämm­material motornaher Bereiche. Sie wider­stehen dauerhaft höheren Tempe­raturen als beispiels­­weise expan­­dierter Polysterol­­schaum (EPS) oder Poly­­propylen (EPP). Aufgrund der verbesserten mecha­nischen Eigen­­schaften sind sie auch als Türmodul vor­stellbar oder als Versteifungs­­element im Sandwich­verbund“, berichtet Rapp. Sie lassen sich zügig ver­ar­beiten und sparen Material ein.

Im Vergleich zu nach­­wachsenden Sand­wichkern­ma­terialien wie Balsaholz sind die thermo­­plastischen Schäume besser verfügbar. Die Herstellung der inno­­vativen Mate­rialien erfolgt in der instituts­­eigenen Schaum­­extrusions­­anlage in Pfinztal. Rapp erläutert den Prozess: „Wir schmelzen das Kunststoff­­granulat auf, mischen in die Kunststoff­schmelze ein Treibmittel und schäumen den Werkstoff auf. Die geschäumten, stabi­­lisierten Halb­zeuge und Partikeln lassen sich in der Folge beliebig formen und schneiden.“Im Bereich geschäumter Polymere deckt die Arbeits­gruppe Schäum­­technologien des ICT die komplette Fertigungs­­kette für thermo­plastische Schäume ab: von der Material­­entwicklung und Her­stellung extrusions­­geschäumter Partikel oder Halbzeuge bis hin zum Formteil­­prozess sowie dem fertigen Bauteil. (Quelle: Fh.-ICT)

Links: EU-Projekt WALiD – Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Lightweight Design • Schäumtechnologien, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal

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